CN103730826A - 一种可调谐激光器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可调谐激光器系统，该系统的第一种结构包括一个输出光束准直透镜和依次安装起来的第一激光腔反射镜、激光增益介质、腔内准直透镜、有源光相位调制器、第一可调谐声光滤波器、第二可调谐声光滤波器、可调谐法布里-珀罗滤波器和第二激光腔反射镜。该系统的第二种结构是在上述第一种结构中增加一个具有固定频率间隔的法布里-珀罗标准具达到进一步压缩激光器输出光束的频带宽度,也使得激光器的输出光的峰值与法布里-珀罗标准具的透射光谱的峰值一致。本发明设计合理，具有无机械移动部件、性能稳定可靠、成本低、尺寸小、易于安装及生产等特点。

Description

一种可调谐激光器系统
技术领域
本发明属于光电领域，尤其是一种采用可调谐法布里-珀罗滤波器和可调谐声光滤波器的可调谐激光器系统。
背景技术
在外腔式宽带可调谐激光器中，常用的调谐技术主要有以下方式：1、通过精密步进马达带动光栅的旋转来进行调谐的，其存在的问题体现在：一是为实现光频率的精密调谐，对步进马达的步进精度和重复性要求很高，因此制造成本比较高；二是由于采用步进马达，不易做到小型化； 三是在恶劣工作环境下的工作稳定性比较差，特别是抗各类机械振动的能力比较差，因此，采用该技术的可调谐激光器只适合用于实验室工作环境中使用。2、利用可调谐声光滤波器进行调谐，其优点是调谐速度快，没有机械移动部件，可以做到小型化，缺点是可调谐声光滤波器的滤波带宽比较宽，使得激光器的调谐精度不高，因此，单纯采用这种技术的可调谐激光器很难做到精密连续可调谐，只适合用于对调谐精度和输出带宽不高的应用中。3、利用光栅或激光谐振腔中的其他光学滤波器件，如光学标准具等透射光频率随温度漂移的特点进行调谐，其优点是调谐精度高和输出光的光谱带宽比较窄，缺点是速度比较慢，特别是在要求调谐光谱范围宽的情况下，这个缺点尤为明显，例如：光学滤波器件的温度漂移系数是0.02纳米/度，要求的光频谱范围是20纳米，温度调节范围是100度，这在实际应用中是很难实现的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种调谐速度快、精度高、成本低、尺寸小且易于生产的可调谐激光器系统。
本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种可调谐激光器系统，包括一个输出光束准直透镜和依次安装起来的第一激光腔反射镜、激光增益介质、腔内准直透镜、有源光相位调制器、第一可调谐声光滤波器，其特征在于：还包括第二可调谐声光滤波器、可调谐法布里-珀罗滤波器、第二激光腔反射镜及激光器驱动和控制系统；所述腔内准直透镜用于将所述激光增益介质发出的光准直，并以布拉格角进入所述第一可调谐声光滤波器；所述第一可调谐声光滤波器的一级衍射光以布拉格角进入所述第二可调谐声光滤波器，消除由第一可调谐声光滤波器衍射造成的光频率多普勒漂移，改变所述第二可调谐声光滤波器放置的角度可以起到压缩衍射光的频谱带宽；在所述第二可调谐声光滤波器一级衍射光的光轴方向上设置所述可调谐法布里-珀罗滤波器，在所述可调谐法布里-珀罗滤波器后设置所述第二激光腔反射镜；由所述的第一激光腔反射镜和所述的第二激光腔反射镜构成了激光器谐振腔；所述的第一激光腔反射镜、宽带激光增益介质、腔内准直透镜、有源光相位调制器、第一可调谐声光滤波器、第二可调谐声光滤波器、可调谐法布里-珀罗滤波器和第二激光腔反射镜安放的位置使得只有经过所述的第一可调谐声光滤波器和所述的第二可调谐声光滤波器的一级衍射光的光线才能在所述激光谐振腔内形成激光振荡；所述可调谐激光器系统从所述第一激光腔反射镜输出；所述可调谐法布里-珀罗滤波器由依次连接起来的第一反射镜、液晶光相位调制器和第二反射镜依次连接构成，由所述的第一反射镜和所述的第二反射镜构成法布里-珀罗腔。
一种可调谐激光器系统，包括一个输出光束准直透镜和依次安装起来的第一激光腔反射镜、激光增益介质、腔内准直透镜、有源光相位调制器、第一可调谐声光滤波器，其特征在于：还包括第二可调谐声光滤波器、可调谐法布里-珀罗滤波器、法布里-珀罗标准具、第二激光腔反射镜及激光器驱动和控制系统；所述腔内准直透镜用于将所述激光增益介质发出的光准直，并以布拉格角进入所述第一可调谐声光滤波器；所述第一可调谐声光滤波器的一级衍射光以布拉格角进入所述第二可调谐声光滤波器，消除由第一可调谐声光滤波器衍射造成的光频率多普勒漂移，改变所述第二可调谐声光滤波器放置的角度可以起到压缩衍射光的频谱带宽；在所述第二可调谐声光滤波器一级衍射光的光轴方向上设置所述可调谐法布里-珀罗滤波器，在所述可调谐法布里-珀罗滤波器后设置所述第二激光腔反射镜；由所述的第一激光腔反射镜和所述的第二激光腔反射镜构成了激光器谐振腔；所述的第一激光腔反射镜、宽带激光增益介质、腔内准直透镜、有源光相位调制器、第一可调谐声光滤波器、第二可调谐声光滤波器、可调谐法布里-珀罗滤波器和第二激光腔反射镜安放的位置使得只有经过所述的第一可调谐声光滤波器和所述的第二可调谐声光滤波器的一级衍射光的光线才能在所述激光谐振腔内形成激光振荡；所述可调谐激光器系统从所述第一激光腔反射镜输出；所述可调谐法布里-珀罗滤波器由依次连接起来的第一反射镜、液晶光相位调制器和第二反射镜依次连接构成，由所述的第一反射镜和所述的第二反射镜构成法布里-珀罗腔。
而且，所述可调谐法布里-珀罗滤波器的透射光的峰值频率的调谐范围大于或等于其本征自由光谱范围。
而且，所述第一激光腔反射镜和第二激光腔反射镜均为下列几种反射镜之一：平面镜，凹面镜和凸面镜，具有部分或100%的反射率并与所述激光增益介质具有相同光谱范围；所述第一激光腔反射镜或者是直接镀在激光增益介质一个端面上的多层介质膜。
而且，所述激光增益介质是一种宽带激光增益介质。
而且，所述有源光相位调制器可以是下列几种类型之一：电光相位调制器、声光相位调制器、磁光相位调制器或上述几种相位调制器的某种组合。
而且， 所述第一可调谐声光滤波器包括一块声光晶体和设置在所述声光晶体上的一个电声换能器；所述第二可调谐声光滤波器包括一块声光晶体和设置在所述声光晶体上的一个电声换能器。
而且，所述可调谐法布里-珀罗滤波器的第一反射镜的外侧通光面设置增透膜；所述可调谐法布里-珀罗滤波器的第一反射镜的内侧通光面设置高反射率多层介质膜；所述可调谐法布里-珀罗滤波器的第二反射镜的内侧通光面高反射率多层介质膜；所述可调谐法布里-珀罗滤波器的第二反射镜的外侧通光面设置增透膜。
而且， 所述液晶光相位调制器在外加电场的驱动下对某一方向的线偏振光产生一定的光相位延迟，并具有与激光增益介质相同的光谱范围。
而且，所述的激光器驱动和控制系统包括：一个中央控制系统，一个激光泵浦源、一个有源光相位调制器驱动源、两个射频信号源和一个可调谐法布里-珀罗滤波器的驱动源，来实现对所述激光增益介质、所述有源光相位调制器、所述第一可调谐声光滤波器、所述第二可调谐声光滤波器和所述可调谐法布里-珀罗滤波器的驱动控制功能，并实现光频率调谐和输出光功率的控制。
本发明的优点和积极效果是：
1、本激光器系统利用液晶对光的相位调制作用和在通光方向尺寸薄（约10微米）的特点，结合传统的法布里-珀罗（ Fabry-Perot）标准具的技术，设计了可调谐法布里-珀罗（ Fabry-Perot）滤波器，并结合可调谐声光滤波器，不仅降低了对可调谐声光滤波器的窄的滤波带宽的要求，而且实现在宽频谱范围内的激光频率的快速精密调谐，保证了大的调谐光谱范围和窄的激光器输出光谱。
2、本激光器采用了二个可调谐声光滤波器来消除由单一可调谐声光滤波器所产生的光频率漂移和压缩由单一可调谐声光滤波器的衍射光频谱宽度，另外，通过改变第二个可调谐声光滤波器的相对角度可以进一步压缩衍射光频谱宽度使得激光器的输出光谱更加窄和更加稳定，提高了激光器的性能。
3、本发明设计合理，具有无机械移动部件、性能稳定可靠、成本低、尺寸小、易于安装及生产等特点，可满足对于要求尺寸小和极端工作环境下的可靠运行，可广泛应用于光学测试、光纤通讯、生物、医疗器械和光纤传感器网络等领域中。
附图说明
图1给出了第一个可调谐声光滤波器100以及入射和衍射光关系示意图；
图2给出了第二个可调谐声光滤波器200以及入射和衍射光关系示意图；
图3给出了可调谐声光滤波器100的声光晶体中入射光束、声波场和衍射光束的波矢关系图；
图4给出了可调谐声光滤波器200的声光晶体中入射光束、声波场和衍射光束的波矢关系图；
图5给出了一种具有双可调谐声光滤波器的可调谐声光滤波器300以及入射和衍射光关系示意图；
图6给出了可调谐声光滤波器300中可调谐声光滤波器200改变角度的示意图；
图7给出了一种普通法布里-珀罗（ Fabry-Perot）光标准具的示意图；
图8给出了一种普通液晶光相位调制器的结构示意图；
图9给出了液晶光相位调制器在外电场作用下光相位和电场的关系曲线示意图；
图10给出了一种包含一个液晶光相位调制器的可调谐法布里-珀罗滤波器的示意图；
图11给出了本发明的一种可调谐激光器系统500的示意图；
图12给出了本发明的一种包括一个法布里-珀罗光标准具可调谐激光器系统的示意图；
图13给出了一个可调谐声光滤波器的衍射光谱的示意图；
图14给出了一个法布里-珀罗（ Fabry-Perot）标准具的透射光谱示意图；
图15给出了一个可调谐法布里-珀罗滤波器的透射光谱示意图；
图16给出了可调谐激光器系统500的输出光谱示意图；
图17给出了满足ITU光频率要求的法布里-珀罗标准具的透射光谱示意图；
图18给出了包含一个法布里-珀罗标准具的可调谐激光器系统600的输出光谱示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
可调谐声光滤波器
图1是一种现有的可调谐声光滤波器100的结构示意图，该可调谐声光滤波器包括一个换能器20和一个声光晶体30，射频信号源10连接到换能器20，入射光束2以布拉格角θB入射到声光晶体30，产生零级衍射光束3 和一级衍射光束4。
图3给出了可调谐声光滤波器100的声光晶体中入射光束、声波场和衍射光束的波矢关系图。
声光滤波器的工作原理是基于一种布拉格衍射的现象。布拉格衍射涉及了光子（光能的量子）和声子（声能的量子）的相互作用过程。在这个互作用的过程中，能量和动量都是守恒的。
动量守恒要求κd =κi +κs，其中κd是衍射光子的动量，κi是入射光子的动量，κs是互作用的声子的动量。这就给出了布拉格衍射最基本的波矢等式。它表明了衍射光的波矢是入射光波矢与声波波矢的矢量和，
能量守恒要求ωr =ω +Ω，其中ωr是衍射光的角频率，ω是入射光的角频率，Ω是声波的角频率。这表明衍射光子的角频率被声波的角频率轻微改变，即光线的频率产生了多普勒频移。
根据上面的公式，ωr = ω + Ω，公式表明光波频率偏移的大小等于声波的频率，尽管因为光线频率和声波频率相差很多个数量级，从而产生的偏移量很小，但是在一些激光器系统中还是会引起不稳定的运行。这个问题的一个解决办法是使用两个AOTF，其中第二个AOTF用来抵消第一个AOTF所带来的频率偏移。或在同一个声光晶体上使用两个在同一侧的换能器。
图2给出了一种与可调谐声光滤波器100相同结构的可调谐声光滤波器200的示意图。可调谐声光滤波器100包括一个换能器21和一个声光晶体31，射频信号源11连接到换能器21。入射光束4以布拉格角θB入射到声光晶体31，产生零级衍射光束5 和一级衍射光束6，图4给出了可调谐声光滤波器200的声光晶体中入射光束、声波场和衍射光束的波矢关系图。
在图3中，光线2（κ2）、光线4（κ4）和声波40（κs）的关系是：κ2 + κs = κ4。声波κs不仅仅使得衍射光的方向向上偏移，光线的角频率 ω 也向上偏移了 Ω = vs |κs|，其中vs是声波的速度。
在图4中，光线4（κ5）、光线6（κ8）和声波41（κs）的关系是：κ4 − κs = κ6。在这种情况下，声波使得衍射光的方向向下偏移，并且将第二次衍射的光线6的角频率 ω 也向下偏移了vs |κs|。因为向上和向下的偏移量基本相同，当光线6从声光滤波器200中射出时，整体频率偏移被充分的消除了。
图5给出了由可调谐声光滤波器100和200组成的具有频率偏移补偿的双可调谐声光滤波器300的结构示意图。可调谐声光滤波器200不仅补偿了由可调谐声光滤波器100产生的频率偏移，还对由可调谐声光滤波器100产生一级衍射光束4产生的衍射光谱产生压缩作用。如果将可调谐声光滤波器200偏转一个小角度，由于可调谐声光滤波器的衍射特性，衍射光光线6将会得到进一步压缩。图6给出了可调谐声光滤波器300中可调谐声光滤波器200改变角度的示意图。
声光可调谐滤波器（AOTF）是一种固态的、可采用电调谐的带通光滤波器。与传统的技术相比，AOTF提供了连续、快速的调节能力和窄的光谱带宽。声光滤波器有两种类型：共线型与非共线型。其中具有高射频频率的非共线型和非近轴滤波器比较容易实现窄带滤波，图13给出了一个声光可调谐滤波器的衍射光谱示意图，Δνc是衍射光谱的半宽度，在这里Δνc定义为衍射光强度的峰值的频率和衍射光强度为零或接近零的频率的差值。对于衍射光频谱为非对称的情况，衍射光频谱两侧的Δνc不同，则取衍射光谱的半宽度较大一侧的值，一般地，取决于不同的类型和声光作用的长度等因素，Δνc的范围可以做到从小于1纳米到十几纳米。
在一些具体实施中，例如需要窄带调节时，采用的声光晶体是各向异性并有双折射特性。其中一种物质为二氧化碲（TeO2），由于其运行在剪切模式时具有高光学均匀性、低光吸收度和耐高光功率能力的特点，广泛使用于这类应用中。其他物质例如铌酸锂（LiNbO3）、磷化镓（GaP）和钼酸铅（PbMoO4）也经常用于各种声光器件中。影响选择特定物质的因素有很多，下面仅列出几种，如：声光器件的类型、高质量晶体是否容易获得以及应用的类型和需求，例如衍射效率功率损耗、入射光与衍射光的分散度和整体器件的大小等。
法布里 - 珀罗（ Fabry-Perot ）光标准具
图7给出了一种普通的法布里-珀罗（ Fabry-Perot）光标准具44的示意图。该法布里-珀罗光标准具44的材料一般在近红外和可见光波段采用象融石英或BK7这样的光学玻璃，假设材料的折射率为n，两个通光面42 和43都镀高反射膜，假设反射率为 R, 厚度为h，光以接近零度的入射角入射，则光标准具44的自由光谱范围FSR1可以表示为：Δλ=λ2/(2nh),或用频率表示：Δν=c/(2nh),其中c 是光速。 透射光的峰值频率可以表示为：ν=mc/(2nh),其中m是干涉级次， 透射光的频谱带宽可以表示为：Δνe1（FWHM）=c(1-R)/(2πnhR1/2)，其中c是光速。
从上述两个公式可以看出，光标准具44的自由光谱范围FSR1 与厚度为h成反比。假设材料的折射率为n=1.5，要实现FSR1=100GHz，厚度h≈1毫米。 FSR1要求越大，厚度就越小。在标准具的材料和厚度确定后，透射光的频谱带宽主要和反射率R有关，反射率越高，频谱带宽或锐度（finesse）越小。法布里-珀罗（ Fabry-Perot）光标准具的透射光谱的特点是每个透射谱的带宽非常窄，输出光谱的频率间隔相等并且光频带宽度非常宽，图14给出了一个法布里-珀罗（ Fabry-Perot）标准具的透射光谱示意图。
一般情况下，对于光纤通讯用的激光器，要求有很窄的输出频谱带宽，也相应地要求采用高锐度系数的标准具。
液晶光相位调制器
一般用作光电器件的液晶材料具有高的电阻率。因此，可以被认为是理想的电介质材料。由于构成分子的有序的取向和拉伸延长的形态，液晶具有各向异性的电介质特性和单轴对称性，就象一个单轴晶体一样，其光轴的方向与分子的排列取向一致。当液晶分子在外界电场的作用下，会形成电偶极子。在电偶极子所形成的力矩作用下，使得液晶分子的取向转向电场的方向，可以通过改变电场的强弱，改变液晶的光轴的方向，从而改变对某一特定方向入射的线偏振光的相位。因此，可以利用液晶的这一特性，制作光相位调制器，可调谐滤波器，或其他光电器件，如光开关和光强调制器等。图8给出了一种液晶光相位调制器24的示意图。液晶光相位调制器24包括依次安装起来的透明材料薄片60、液晶23、透明材料薄片64，在透明材料薄片60的内表面62上镀电极和隔离层，在透明材料薄片64的内表面66上镀电极和隔离层，驱动源22连接到两个电极上。一般用作相位调制器件的液晶的厚度约为几微米至十几微米。图9显示的是一个液晶光相位调制器24在10KHz方波电压的驱动下，对光波长为1550纳米的光波相位变化的关系，最大可实现约2π的光相位延迟。
可调谐法布里 - 珀罗滤波器
图10给出了一种包含一个液晶光相位调制器的可调谐法布里-珀罗滤波器400的示意图。可调谐法布里-珀罗滤波器 400包括反射镜16和26以及放置在反射镜16和26之间的液晶光相位调制器24，在反射镜16和26的外表面18和29上镀增透膜，在内表面21和28上镀反射率为R的高反射多层电介质膜层，在并由该两高反射膜层形成法布里-珀罗（Fabry-Perot）腔。由于液晶的厚度很小（约几微米至十几微米），因此，可以制作本征自由光谱范围（在无外加电场时，滤波器的自由光谱范围）较大的法布里-珀罗滤波器。利用电场改变法布里-珀罗（Fabry-Perot）腔内液晶的有效折射率，来调节法布里-珀罗滤波器的透射光的光频率ν和自由光谱范围（FSR）。
如图10所示，入射到可调谐法布里-珀罗滤波器 400的光束15是一束沿z 方向传播，偏振轴为x 方向的线偏振光，假设法布里-珀罗腔的长度为D，腔内材料的折射率为n，则滤波器400的自由光谱范围FSR2、透射光频率和透射光的频谱带宽可分别表示为：
Δλ=λ2/(2nD+Γ),或用频率表示：Δν=c/(2nD+Γ),其中c 是光速, Γ代表由液晶光相位调制器24在外加电场作用下对入射光所产生的附加光程；透射光的峰值频率可以表示为：ν=mc/(2nD+Γ),其中m是干涉级次；透射光的频谱带宽（FWHM）可以表示为：Δνt1=c(1-R)/((2nD+πΓ)R1/2)，其中c 是光速。图 15给出了可调谐法布里-珀罗滤波器400的透射光谱示意图。
根据上述公式和实验证明，可调谐法布里-珀罗滤波器400对于接近零度入射的线偏振光可以实现大于本征自由光谱范围FSR2的透射光频率的调谐范围，精度可达小于1GHz。相比较而言，对自由光谱范围FSR2和透射光的频带宽带Δνt1的改变要小的多，因此，可调谐法布里-珀罗滤波器400 在外加电场的作用下，可以实现的透射光峰值频率的调谐范围大于其本征自由光谱范围，而基本不改变透射光的频谱带宽和自由光谱范围。这个特性对于将可调谐法布里-珀罗滤波器400在本发明中的应用具有重要意义。
通常情况下，液晶光相位调制器24的构成是将液晶材料放置在两片透明光学材料构成的腔中，因此，所述两片透明光学材料60和64的厚度直接影响可调谐法布里-珀罗滤波器400的法布里-珀罗腔的长度D，也就影响所能实现的自由光谱范围，自由光谱范围越大，要求法布里-珀罗腔的长度越短，也就要求两片透明光学材料60和64的厚度越小。假设上述两片透明光学材料的厚度为0.5毫米，折射率为1.5，液晶的厚度为10微米，可调谐法布里-珀罗滤波器400能够实现的最大本征自由光谱范围约为100GHz。要实现更大的自由光谱范围，需要降低上述两片透明光学材料60和64的厚度，这为制作液晶光相位调制器24带来了困难。为了克服这个制作困难，一个方法是在两片透明光学材料60和64的其中一片的内表面镀高反射膜，在该高反射膜与反射镜16或26的高反射膜构成可调谐法布里-珀罗滤波器400的法布里-珀罗腔，这样可以大大缩短法布里-珀罗腔的长度，增加自由光谱范围。例如：透明光学材料60的内表面可以先设置反射率为R的高反膜层，再设置电极和隔离层等，则该高反膜层与反射镜26上的高反膜构成法布里-珀罗腔，从而，不仅可以省去反射镜16，而且可以大大缩短法布里-珀罗腔的长度。同样的方法，也可以在透明光学材料64的内表面设置一个高反膜，使其与透明光学材料60的内表面的高反膜形成法布里-珀罗腔，由于液晶层的厚度非常薄，这种结构可以实现非常大的自由光谱范围的可调谐法布里-珀罗滤波器，但使用这种方法，实际制作难度很大。
另外，在制作可调谐法布里-珀罗滤波器 400时，由于需要将液晶光相位调制器24放置在由反射镜16和26构成的法布里-珀罗腔内，为制作可调谐法布里-珀罗滤波器400，带来一定的难度，特别是要求高锐度系数的情况，由于透过反射镜16和26的光强比较弱，制作这样的滤波器难度更大。 因此，降低可调谐法布里-珀罗滤波器400的锐度系数，可以降低其制作难度。
下面对本发明的一种可调谐激光器系统的结构进行详细说明。
图11给出了本发明的一种可调谐激光器系统500的结构示意图。在该激光器中，激光腔反射镜45和51组成激光器的谐振腔，由激光增益介质47发出的宽带荧光光束48经腔内准直透镜49准直后的光束2透过有源光相位调制器7后，以布拉格角θB进入可调谐声光滤波器100的声光晶体30，其一级衍射光4以布拉格角进入可调谐声光滤波器200的声光晶体31，其一级衍射光6经过可调谐法布里-珀罗滤波器400后，由激光腔反射镜51反射后在上述激光腔内形成激光振荡和放大并从激光腔反射镜45输出激光光束53。如果激光激光增益介质47是半导体材料，输出光束53通常是一种发散光束，可由腔外准直透镜54准直。在激光谐振过程中，由可调谐声光滤波器100和200产生了其他零级衍射光束5、55和56，以及一级衍射光束57作为激光腔内损耗泄漏出激光腔外；光束5、55、56和57 可用于监控激光腔内的光功率和频率等，可以避免在激光腔内或输出光路上插入其他分光器件去实现这样的功能，也可作为激光器500的输出光束用于其他用途。
激光腔反射镜通常对不同波长或颜色光的反射率不同，这里提到的反射率是与激光器运行的频谱带宽相对应的反射率。一般，激光腔反射镜45作为激光器500的输出镜，采用部分反射镜（反射率小于100%），其反射率的大小可以根据激光腔的损耗或增益大小等因素来调整，激光腔反射镜51采用全反镜（100%反射率）。激光腔反射镜45和51可以采用平面镜，凸面镜或凹面镜。
如果激光增益介质是半导体增益介质时，通常可直接在半导体增益介质的一个输出表面直接镀反射膜形成激光腔反射镜45，因为半导体增益介质一般都有比较大的输出分散角，因此，腔内准直透镜49一般是针对激光增益介质是半导体增益介质时使用。当激光增益介质是气体，液体或有些固体介质时，一般可以不用腔内准直透镜，而是采用非平面腔镜以实现腔内光束的合理分布。
正如上面的分析，声光可调谐滤波器200起到了对声光可调谐滤波器100的一级衍射光4产生的多普勒频率偏移的补偿作用，因此，激光器500的输出光频率不受声光可调谐滤波器100和200的声光调制频率的影响。
射频信号源10与换能器20相连接，作为可调谐声光滤波器100的驱动源，提供射频能量并通过改变射频频率来调节激光谐振腔的振荡光频率；射频信号源11与换能器21相连接，作为可调谐声光滤波器200的驱动源，提供射频能量并通过改变射频频率来调节激光谐振腔的谐振频率。根据激光腔内不同的谐振频率，有源光相位调制器7通过调节腔内光束的相位使得某一个特定频率的光在激光腔内产生激光振荡和放大。可调谐声光滤波器100和200也可以用同一射频信号源驱动。正如前面分析的，如果将可调谐声光滤波器200偏转一个小角度，由于可调谐声光滤波器的衍射特性，衍射光线6的频谱宽度将会得到进一步压缩，从而，压缩激光器500的腔内谐振光束的频谱宽度。
在可调谐法布里-珀罗滤波器400无外加电场作用时，这时的滤波器400相当于一个法布里-珀罗标准具，可调谐激光器500输出的光频率受滤波器400的本征透射光谱的限制，即可调谐激光器500的输出只能调谐在可调谐法布里-珀罗滤波器400的本征透射光谱的透射光谱上。通过调节驱动可调谐法布里-珀罗滤波器400的外加电场，可以精密调谐滤波器400的透射光谱和可调谐激光器500的输出光谱。当可调谐法布里-珀罗滤波器400的调谐范围大于或等于其自由光谱范围时，可调谐激光器500可以实现连续和精密调谐输出。
为了提高可调谐激光器500的可调谐单模输出的稳定性，应使得可调谐法布里-珀罗滤波器400的自由光谱范围大于可调谐激光器500的本征谐振光谱的宽度（FWHM）ΔνL。 ΔνL 定义为可调谐激光器500在没有可调谐法布里-珀罗滤波器400时的激光谐振光谱的宽度（FWHM），该激光谐振光谱宽度ΔνL 受衍射光谱的半宽度Δνc的限制，Δνc越小，ΔνL 越小。由于可调谐法布里-珀罗滤波器400在调谐过程中，基本不改变自由光谱范围，使得在可调谐激光器500的调谐过程中，能够继续维持稳定单模运行。同时，可调谐法布里-珀罗滤波器400也决定了激光器输出光的频谱宽度。采用高锐度系数的法布里-珀罗滤波器能起到压缩输出光束的频谱带宽和提高边模抑制比。由于调谐过程对法布里-珀罗滤波器400的透射光谱的带宽影响可以忽略，因此，可调谐激光器500在调谐过程中，输出光谱的带宽可以做到基本一致。由于有源光相位调制器7、可调谐声光滤波器100和200和可调谐法布里-珀罗滤波器400均具有很宽的光频谱范围，因此，可调谐激光器500能够实现在宽频谱范围内的精密连续可调谐。图16给出了可调谐激光器系统500的输出光谱示意图。
对于可调谐激光器500在光纤通讯的应用，如100GHz的DWDM系统中，要求可调谐激光器500的输出满足ITU（国际通讯标准） 100GHz 的光频率要求（ITU Grid），因此，也就要求可调谐法布里-珀罗滤波器400的透射光谱满足国际电讯联盟（ITU）标准。如前面的分析，在这样的应用中，假设可调谐激光器500的本征谐振光谱的宽度ΔνL小于或等于200GHz，因此，如果可调谐法布里-珀罗滤波器400的本征自由光谱范围设置为250GHz时，就满足上面提到的对激光器500输出稳定性的要求，则法布里-珀罗腔的长度D约等于0.4毫米，真如前面分析的，这是可能做到的。在有外加电场作用时，可调谐法布里-珀罗滤波器400可以实现大于250GHz的透射光的频谱的精密频率调谐，因此，可实现在两个100GHz ITU grid 光频率的之间的精密和连续调谐。一般可以做到间隔小于1GHz的光频率精密调谐。同样，对于如25GHz或50GHz的光纤通讯应用，可调谐激光器500同样也可以满足要求。目前，在光纤通讯中，常用的C频率带（约1530纳米-1570纳米）或L频率带（约1570纳米-1610纳米）的光频谱带宽约为40纳米，可调谐激光器500完全可以实现在C频率带和/或L频率带范围内的精密调谐。由于在50GHz或100GHz DWDM的光纤通讯的应用中往往只要求可调谐激光器500的输出满足ITU 100GHz 的光频率要求，并不需要连续调谐，因此，可以采用另一种可调谐激光器系统600结构来满足这种要求。
图12给出了本发明的一种可调谐激光器系统600的结构示意图。
可调谐激光器系统600是在可调谐激光器系统500中增加了一个法布里-珀罗标准具52，该标准具52的透射光谱满足光纤通讯ITU 的要求，因此可调谐激光器系统600输出只能调谐到ITU的频率（Grid）上。图17给出了激光腔内法布里-珀罗标准具52的透射光谱示意图。图18给出了包含一个法布里-珀罗标准具可调谐激光器系统600的输出光谱示意图。假设法布里-珀罗标准具52的锐度系数大于可调谐法布里-珀罗滤波器400的锐度系数，可调谐激光器系统600的输出光谱的带宽Δνp2 取决于法布里-珀罗标准具52的透射光谱带宽Δνe3，Δνe3越小，则Δνp2越小。由于法布里-珀罗标准具52比可调谐法布里-珀罗滤波器400更容易做到高的锐度系数，因此，这样的好处是：1.可以易于压缩可调谐激光器系统600输出光的光谱宽度，2.可以降低可调谐法布里-珀罗滤波器400的锐度系数，使得其更容易制作。
可调谐激光器系统500和600驱动和控制系统包括：一个中央控制系统、一个激光泵浦源、一个有源光相位调制器驱动源、两个射频信号源、一个可调谐法布里-珀罗滤波器的驱动源，实现对激光增益介质、有源光相位调制器、第一可调谐声光滤波器、第二可调谐声光滤波器和可调谐法布里-珀罗滤波器的驱动控制功能，并实现光频率调谐和输出光功率的控制。
需要强调的是，上述说明仅起演示和描述的作用，并不是一个详细无遗漏的说明，也没有意图将本发明限制在所描述的具体形式上。经过上面的描述，对本发明的许多改动和变化都可能出现。所选择的具体实施仅仅是为了更好的解释本发明的原理和实际中的应用。这个说明能够使熟悉此领域的人可以更好的利用本发明，根据实际需要设计不同的具体实施和进行相应的改动。

Claims (18)

1.一种可调谐激光器系统，包括一个输出光束准直透镜和依次安装起来的第一激光腔反射镜、激光增益介质、腔内准直透镜、有源光相位调制器、第一可调谐声光滤波器，其特征在于：还包括第二可调谐声光滤波器、可调谐法布里-珀罗滤波器、第二激光腔反射镜及激光器驱动和控制系统；所述腔内准直透镜用于将所述激光增益介质发出的光准直，并以布拉格角进入所述第一可调谐声光滤波器；所述第一可调谐声光滤波器的一级衍射光以布拉格角进入所述第二可调谐声光滤波器，消除由第一可调谐声光滤波器衍射造成的光频率多普勒漂移，改变所述第二可调谐声光滤波器放置的角度可以起到压缩衍射光的频谱带宽；在所述第二可调谐声光滤波器一级衍射光的光轴方向上设置所述可调谐法布里-珀罗滤波器，在所述可调谐法布里-珀罗滤波器后设置所述第二激光腔反射镜；由所述的第一激光腔反射镜和所述的第二激光腔反射镜构成了激光器谐振腔；所述的第一激光腔反射镜、宽带激光增益介质、腔内准直透镜、有源光相位调制器、第一可调谐声光滤波器、第二可调谐声光滤波器、可调谐法布里-珀罗滤波器和第二激光腔反射镜安放的位置使得只有经过所述的第一可调谐声光滤波器和所述的第二可调谐声光滤波器的一级衍射光的光线才能在所述激光谐振腔内形成激光振荡；所述可调谐激光器系统从所述第一激光腔反射镜输出；所述可调谐法布里-珀罗滤波器由依次连接起来的第一反射镜、液晶光相位调制器和第二反射镜依次连接构成，由所述的第一反射镜和所述的第二反射镜构成法布里-珀罗腔。
2.根据权利要求1所述的一种可调谐激光器系统，其特征在于：所述可调谐法布里-珀罗滤波器的透射光的峰值频率的调谐范围大于或等于其本征自由光谱范围。
3.根据权利要求1所述的一种可调谐激光器系统，其特征在于：所述第一激光腔反射镜和第二激光腔反射镜均为下列几种反射镜之一：平面镜，凹面镜和凸面镜，具有部分或100%的反射率并与所述激光增益介质具有相同光谱范围；所述第一激光腔反射镜或者是直接镀在激光增益介质一个端面上的多层介质膜。
4.根据权利要求1所述的一种可调谐激光器系统，其特征在于：所述激光增益介质是一种宽带激光增益介质。
5.根据权利要求1所述的一种可调谐激光器系统，其特征在于：所述有源光相位调制器可以是下列几种类型之一：电光相位调制器、声光相位调制器、磁光相位调制器或上述几种相位调制器的某种组合。
6.根据权利要求1所述的一种可调谐激光器系统，其特征在于：所述第一可调谐声光滤波器包括一块声光晶体和设置在所述声光晶体上的一个电声换能器；所述第二可调谐声光滤波器包括一块声光晶体和设置在所述声光晶体上的一个电声换能器。
7.根据权利要求1所述的一种可调谐激光器系统，其特征在于：
所述可调谐法布里-珀罗滤波器的第一反射镜的外侧通光面设置增透膜；所述可调谐法布里-珀罗滤波器的第一反射镜的内侧通光面设置高反射率多层介质膜；所述可调谐法布里-珀罗滤波器的第二反射镜的内侧通光面高反射率多层介质膜；所述可调谐法布里-珀罗滤波器的第二反射镜的外侧通光面设置增透膜。
8.根据权利要求1所述的一种可调谐激光器系统，其特征在于：所述液晶光相位调制器在外加电场的驱动下对某一方向的线偏振光产生一定的光相位延迟，并具有与激光增益介质相同的光谱范围。
9.根据权利要求1至8任一项所述的一种可调谐激光器系统，其特征在于：所述的激光器驱动和控制系统包括：一个中央控制系统，一个激光泵浦源、一个有源光相位调制器驱动源、两个射频信号源和一个可调谐法布里-珀罗滤波器的驱动源，来实现对所述激光增益介质、所述有源光相位调制器、所述第一可调谐声光滤波器、所述第二可调谐声光滤波器和所述可调谐法布里-珀罗滤波器的驱动控制功能，并实现光频率调谐和输出光功率的控制。
10. 一种可调谐激光器系统，包括一个输出光束准直透镜和依次安装起来的第一激光腔反射镜、激光增益介质、腔内准直透镜、有源光相位调制器、第一可调谐声光滤波器，其特征在于：还包括第二可调谐声光滤波器、可调谐法布里-珀罗滤波器、法布里-珀罗标准具、第二激光腔反射镜及激光器驱动和控制系统；所述腔内准直透镜用于将所述激光增益介质发出的光准直，并以布拉格角进入所述第一可调谐声光滤波器；所述第一可调谐声光滤波器的一级衍射光以布拉格角进入所述第二可调谐声光滤波器，消除由第一可调谐声光滤波器衍射造成的光频率多普勒漂移，改变所述第二可调谐声光滤波器放置的角度可以起到压缩衍射光的频谱带宽；在所述第二可调谐声光滤波器一级衍射光的光轴方向上设置所述可调谐法布里-珀罗滤波器，在所述可调谐法布里-珀罗滤波器后设置所述第二激光腔反射镜；由所述的第一激光腔反射镜和所述的第二激光腔反射镜构成了激光器谐振腔；所述的第一激光腔反射镜、宽带激光增益介质、腔内准直透镜、有源光相位调制器、第一可调谐声光滤波器、第二可调谐声光滤波器、可调谐法布里-珀罗滤波器和第二激光腔反射镜安放的位置使得只有经过所述的第一可调谐声光滤波器和所述的第二可调谐声光滤波器的一级衍射光的光线才能在所述激光谐振腔内形成激光振荡；所述可调谐激光器系统从所述第一激光腔反射镜输出；所述可调谐法布里-珀罗滤波器由依次连接起来的第一反射镜、液晶光相位调制器和第二反射镜依次连接构成，由所述的第一反射镜和所述的第二反射镜构成法布里-珀罗腔。
11.根据权利要求10所述的一种可调谐激光器系统，其特征在于：所述可调谐法布里-珀罗滤波器的透射光的峰值频率的调谐范围大于或等于其本征自由光谱范围。
12.根据权利要求10所述的一种可调谐激光器系统，其特征在于：所述第一激光腔反射镜和第二激光腔反射镜均为下列几种反射镜之一：平面镜，凹面镜和凸面镜，具有部分或100%的反射率并与所述激光增益介质具有相同光谱范围；所述第一激光腔反射镜或者是直接镀在激光增益介质一个端面上的多层介质膜。
13.根据权利要求10所述的一种可调谐激光器系统，其特征在于：所述激光增益介质是一种宽带激光增益介质。
14.根据权利要求10所述的一种可调谐激光器系统，其特征在于：所述有源光相位调制器可以是下列几种类型之一：电光相位调制器、声光相位调制器、磁光相位调制器或上述几种相位调制器的某种组合。
15.根据权利要求10所述的一种可调谐激光器系统，其特征在于：所述第一可调谐声光滤波器包括一块声光晶体和设置在所述声光晶体上的一个电声换能器；所述第二可调谐声光滤波器包括一块声光晶体和设置在所述声光晶体上的一个电声换能器。
16.根据权利要求10所述的一种可调谐激光器系统，其特征在于：
所述可调谐法布里-珀罗滤波器的第一反射镜的外侧通光面设置增透膜；所述可调谐法布里-珀罗滤波器的第一反射镜的内侧通光面设置高反射率多层介质膜；所述可调谐法布里-珀罗滤波器的第二反射镜的内侧通光面高反射率多层介质膜；所述可调谐法布里-珀罗滤波器的第二反射镜的外侧通光面设置增透膜。
17.根据权利要求10所述的一种可调谐激光器系统，其特征在于：所述液晶光相位调制器在外加电场的驱动下对某一方向的线偏振光产生一定的光相位延迟，并具有与激光增益介质相同的光谱范围。
18.根据权利要求10至17任一项所述的一种可调谐激光器系统，其特征在于：所述的激光器驱动和控制系统包括：一个中央控制系统，一个激光泵浦源、一个有源光相位调制器驱动源、两个射频信号源和一个可调谐法布里-珀罗滤波器的驱动源，来实现对所述激光增益介质、所述有源光相位调制器、所述第一可调谐声光滤波器、所述第二可调谐声光滤波器和所述可调谐法布里-珀罗滤波器的驱动控制功能，并实现光频率调谐和输出光功率的控制。
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